公布日：2024.12.31
申请日：2024.11.20
分类号：C02F9/00(2023.01)I;C02F11/122(2019.01)I;C02F1/66(2023.01)N;C02F1/24(2023.01)N;C02F1/40(2023.01)N;C02F1/76(2023.01)N;C02F1/52(2023.01)N;C02F5
/06(2023.01)N;C02F1/44(2023.01)N;C02F103/10(2006.01)N;C02F101/30(2006.01)N
摘要
本发明公开了一种深层煤层气压裂返排液的处理以利于资源化利用的系统及方法，压裂返排液经过预处理装置、二氧化碳软化装置、特种防堵超滤装置，特种防堵超滤装置出水水质如达到所需回用途径的水质要求则回用，如出水有机杂质(COD)或矿化度仍然高于回用途径水质要求，则进入特种防堵纳滤装置进一步处理，特种防堵纳滤装置产水回用，特种防堵纳滤装置浓水回到二氧化碳软化装置继续处理，二氧化碳软化过程中产生的碳酸钙进行资源化回用直接做钻井液添加剂。本发明提供了一种流程短、全自动的处理系统与工艺方法；本发明方法大幅度降低了能耗、药剂投加量和污泥产量，实现了深层煤层气压裂返排液和污泥、工艺沉淀物(碳酸钙)的全流程回收利用。
权利要求书
1.一种深层煤层气压裂返排液的回收资源化利用系统，其特征在于，包括：预处理装置、二氧化碳软化装置、特种防堵超滤装置、特种防堵纳滤装置、污泥脱水装置、碳酸钙脱水回收装置、超滤产品水箱和纳滤产品水箱；其中，所述预处理装置、二氧化碳软化装置、特种防堵超滤装置、超滤产品水箱、特种防堵纳滤装置和纳滤产品水箱依次顺序连接；所述预处理装置与所述污泥脱水装置循环连接；所述预处理装置与所述二氧化碳软化装置循环连接；所述二氧化碳软化装置与所述碳酸钙脱水回收装置循环连接；所述特种防堵超滤装置与所述二氧化碳软化装置为循环连接；所述特种防堵纳滤装置与所述二氧化碳软化装置连接。
2.根据权利要求1所述的一种深层煤层气压裂返排液的回收资源化利用系统，其特征在于，所述预处理装置包含调节水箱、pH调节沉淀池、气浮除油设备、加药设备；所述调节水箱与所述pH调节沉淀池、气浮除油设备以及二氧化碳软化装置依次顺序连接；所述加药设备与所述pH调节沉淀池连接；所述pH调节沉淀池与所述污泥脱水装置连接；所述污泥脱水装置与所述调节水箱连接；所述气浮除油设备与所述二氧化碳软化装置为循环连接；所述气浮除油设备为浅层气浮器，气源为二氧化碳，由二氧化碳储罐经汽化器供气。
3.根据权利要求2所述的一种深层煤层气压裂返排液的回收资源化利用系统，其特征在于，所述二氧化碳软化装置包含一级软化器、二级软化器、深度软化器、澄清池、二氧化碳储罐、汽化器以及宽量程硬度在线监测仪；宽量程硬度在线监测仪包括宽量程硬度在线监测仪1和宽量程硬度在线监测仪2；所述气浮除油设备与所述一级软化器、二级软化器、深度软化器、澄清池以及特种防堵超滤装置依次顺序连接；所述澄清池与所述碳酸钙脱水回收装置循环连接；所述二氧化碳储罐与所述汽化器连接；所述汽化器分别与所述一级软化器、二级软化器、气浮除油设备连接；所述宽量程硬度在线监测仪1与气浮除油设备和一级软化器之间的管路连接；所述宽量程硬度在线监测仪2与澄清池和特种防堵超滤装置之间的管路连接；所述特种防堵超滤装置与所述澄清池为循环连接，所述特种防堵纳滤装置与一级软化器连接；所述特种防堵超滤装置为特种防堵无机膜，过滤精度100-200nm；所述特种防堵纳滤装置为特种防堵有机膜，截留分子量为150～300道尔顿；所述污泥脱水装置为高压隔膜板框压滤机；所述碳酸钙脱水回收装置为高压隔膜板框压滤机。
4.一种深层煤层气压裂返排液的回收资源化利用方法，其特征在于，采用权利要求3所述系统，包括以下步骤：步骤1：将深层煤层气压裂返排液加入到调节水箱中，经过均质后进入pH调节沉淀池，接着向pH调节沉淀池中投加pH调节剂和氧化剂，得到出水和污泥；步骤2：将步骤1中出水送至气浮除油设备，上部浮油层进入浅层气浮器进行油水分离，得到浮油和除油后出水；步骤3：将步骤2中的所述除油后出水送至一级软化器中，接着向一级软化器和二级软化器中通入二氧化碳气体和投加pH调节剂，进行反应后进入深度软化器和澄清池，得到软化产水和碳酸钙沉淀；步骤4：将步骤3中所述软化产水快速送入到特种防堵超滤装置进行过滤，得到产水和浓水；产水被送至超滤产品水箱，如达到所需回用途径的水质要求则回用，如出水有机杂质或矿化度仍然高于回用途径水质要求，则进入特种防堵纳滤装置进一步处理，浓水送入澄清池；步骤5：步骤4中所述产水进入到特种防堵纳滤装置中得到产水和浓水；产水被送至纳滤产品水箱，回收利用；浓水送入一级软化器，重复步骤3-4；步骤6：将步骤1中的所述污泥送至污泥脱水装置进行压滤脱水，得到泥饼；产生的滤液送到调节水箱；步骤7：将步骤3中所述碳酸钙沉淀送至碳酸钙脱水回收装置，碳酸钙沉淀进行压滤脱水，得到滤饼为碳酸钙按照含水率直接换算作为钻井液添加剂利用不需再进一步干燥处理，产生的滤液回到二氧化碳软化装置中的澄清池。
5.根据权利要求4所述的深层煤层气压裂返排液的回收资源化利用方法，其特征在于，步骤1所述pH调节剂包括氢氧化钠，将压裂返排液pH调节至10-12；所述氧化剂包括次氯酸钠，所述氧化剂在压裂返排液中的浓度为50-150mg/L。
6.根据权利要求4所述的深层煤层气压裂返排液的回收资源化利用方法，其特征在于，步骤3中的采用两台宽量程硬度在线监测仪监测二氧化碳软化装置进、出水的硬度；以碳酸钙计，所述宽量程硬度在线监测仪监测范围20-50000mg/L，通过监测硬度数值和二氧化碳转化率自动计算控制投加二氧化碳的量；pH调节剂包括氢氧化钠，将压裂返排液pH调节至10-12。
7.根据权利要求4所述的深层煤层气压裂返排液的回收资源化利用方法，其特征在于，步骤6中的所述污泥脱水装置和步骤7中的所述碳酸钙脱水回收装置的进料口处的压力≥0.8MPa。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种连接关系结构简单，且实现了深层煤层气压裂返排液的资源化回收利用系统和方法。
本发明的第二个目的在于提供一种实现了碳酸钙滤饼直接回收利用无需进一步干燥处理，相比常规压裂返排液的资源化回收利用工艺极大限度降低了能耗和工艺副产物对环境的污染，并可实现多途径回用的目的。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种深层煤层气压裂返排液的回收资源化利用系统，包括：预处理装置、二氧化碳软化装置、特种防堵超滤装置、特种防堵纳滤装置、污泥脱水装置、碳酸钙脱水回收装置、超滤产品水箱和纳滤产品水箱；
其中，所述预处理装置、所述二氧化碳软化装置、所述特种防堵超滤装置、所述超滤产品水箱、所述特种防堵纳滤装置和所述纳滤产品水箱依次顺序连接；
所述预处理装置与所述污泥脱水装置循环连接；
所述预处理装置与所述二氧化碳软化装置循环连接；
所述二氧化碳软化装置与所述碳酸钙脱水回收装置循环连接；
所述特种防堵超滤装置与所述二氧化碳软化装置为循环连接；
所述特种防堵纳滤装置还与所述二氧化碳软化装置连接。
优选的，所述预处理装置包含调节水箱、pH调节沉淀池、气浮除油设备、加药设备；
所述调节水箱与所述pH调节沉淀池、气浮除油设备以及二氧化碳软化装置依次顺序连接；所述加药设备与所述pH调节沉淀池连接；所述pH调节沉淀池与污所述泥脱水装置连接；所述污泥脱水装置与所述调节水箱连接；所述气浮除油设备与所述二氧化碳软化装置为循环连接；
所述气浮除油设备为浅层气浮器，气源为二氧化碳，由二氧化碳储罐经汽化器供气。
优选的，所述二氧化碳软化装置包含一级软化器、二级软化器、深度软化器、澄清池、二氧化碳储罐、汽化器以及宽量程硬度在线监测仪；
宽量程硬度在线监测仪包括宽量程硬度在线监测仪1和宽量程硬度在线监测仪2；
所述气浮除油设备与所述一级软化器、二级软化器、深度软化器、澄清池以及特种防堵超滤装置依次顺序连接；所述澄清池与所述碳酸钙脱水回收装置循环连接；所述二氧化碳储罐与所述汽化器连接；所述汽化器分别与所述一级软化器、二级软化器、气浮除油设备连接；
所述宽量程硬度在线监测仪1与气浮除油设备和一级软化器之间的管路连接；所述宽量程硬度在线监测仪2与澄清池和特种防堵超滤装置之间的管路连接；所述特种防堵超滤装置与所述澄清池为循环连接，所述特种防堵纳滤装置与一级软化器连接。
优选的，所述特种防堵超滤装置为特种防堵无机膜，过滤精度100-200nm。
优选的，所述特种防堵纳滤装置为特种防堵有机膜，截留分子量为150～300道尔顿。
优选的，所述污泥脱水装置为高压隔膜板框压滤机。
优选的，所述碳酸钙脱水回收装置为高压隔膜板框压滤机。
一种深层煤层气压裂返排液的回收资源化利用方法，包括以下步骤：
步骤1：将压裂返排液加入到预处理装置中的调节水箱中，经过均质然后pH调节沉淀池，接着向所述预处理装置中投加pH调节剂和氧化剂，得到出水和污泥；
步骤2：将步骤1中所述pH调节沉淀池出水送至气浮除油设备，上部浮油层进入浅层气浮器进行油水分离，得到含油量较高的浮油及除油后出水，回收浮油可以再加工或调和后作为燃料等进行利用；
步骤3：将步骤2中的所述除油后出水送至二氧化碳软化装置中的一级软化器，接着向所述二氧化碳软化装置中的一级软化器和二级软化器中通入二氧化碳气体和添加pH调节剂，进行反应后进入深度软化器和澄清池，得到软化产水、碳酸钙沉淀；一级软化器、二级软化器、深度软化器为逐步降低水中硬度的反应设备，澄清池为去除水中大部分悬浮物，二氧化碳储罐为储存并提供整个工艺所需的液态二氧化碳和气浮气源，汽化器为将二氧化碳从液态转化为气态并投加至一级软化器、二级软化器、预处理装置中的气浮除油设备，碳酸钙脱水回收装置为对澄清池底部碳酸钙沉淀进行脱水回收，采用两台宽量程硬度在线监测仪监测二氧化碳软化装置进、出水的硬度。
步骤4：将步骤3中的所述软化产水快速送入到特种防堵超滤装置进行过滤，用以去除所述水中的碳酸钙并防止生成的碳酸钙反溶，得到SS≤1mg/L产水；产水被回收至超滤产品水箱，如达到所需回用途径的水质要求则回用，如出水水质有机杂质或矿化度仍然高于回用途径水质要求，则进入特种防堵纳滤装置进一步处理；浓水送入二氧化碳软化装置中的澄清池；
步骤5：将步骤4中的所述产水送入到特种防堵纳滤装置中；用以进一步降低所述水中的有机杂质和矿化度，得到合格产水(根据回用途径的要求)和浓水，产水被回收至纳滤产品水箱，回收利用；浓水送入二氧化碳软化装置中的一级软化器，重复步骤3-4；
步骤6：将步骤1中的所述pH调节沉淀池的污泥送至污泥脱水装置进行压滤脱水，得到泥饼，泥饼的含水率小于55％，并且用于下游砖厂等企业的原料利用；高压隔膜板框压滤机滤液回到预处理装置中的调节水箱。
步骤7：将步骤3中的所述二氧化碳软化装置中的澄清池的碳酸钙沉淀送至碳酸钙脱水回收装置，具体为碳酸钙沉淀进入高压隔膜板框压滤机进行压滤脱水，得到碳酸钙按照含水率直接换算作为钻井液添加剂利用不需再进一步干燥处理；高压隔膜板框压滤机滤液回到二氧化碳软化装置中的澄清池。
优选的，步骤1所述pH调节剂包括氢氧化钠，将压裂返排液pH调节至10-12；所述氧化剂包括次氯酸钠，所述氧化剂在压裂返排液中的浓度为50-150mg/L。
步骤1中，次氯酸钠与二价铁(返排液)反应方程式为：
2Fe2++ClO-+4OH-+H2O＝2Fe(OH)3+Cl-
产生的Fe(OH)3作为絮凝剂进一步协助去除压裂返排液中的悬浮物及胶体等。
优选的，步骤3中的采用宽量程硬度在线监测仪监测二氧化碳软化装置中的进、出水的硬度，所述宽量程硬度在线监测仪监测范围20-50000mg/L(以碳酸钙计)，通过监测硬度数值和二氧化碳转化率自动计算控制投加二氧化碳的量；pH调节剂包括氢氧化钠，将压裂返排液pH调节至10-12。
其中，宽量程硬度在线监测仪1监测进水的硬度，宽量程硬度在线监测仪2监测出水的硬度。
步骤3中，二氧化碳与出水中Ca2+、Mg2+反应的方程，反应方程式为：
Ca2++2OH-＝Ca(OH)2↓
Mg2++2OH-＝Mg(OH)2↓
优选的，步骤6中的所述污泥脱水装置和步骤7中的所述碳酸钙脱水回收装置的进料口处的压力≥0.8MPa。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.本发明提供了深层煤层气压裂返排液的回收资源化利用系统及其工艺方法，深层煤层气压裂返排液经过本发明方法处理后，产水全部回收利用，回收的碳酸钙直接作为钻井液添加剂资源化利用，杜绝了排放、回注或干燥带来的二次环境污染风险；
2.本发明提供了一种连接关系结构简单的系统；设备占地面积小，全自动运行，操作简单，成本低；
3.本发明中通过二氧化碳软化装置可有效的去除所述出水中的硬度，处理成本低，还能完成“双碳”目标；
4.本发明方法采用特种防堵超滤装置，抗污染能力强，膜通量高，占地面积小，得到的产水品质好，有效防止钙离子返溶，产水如达到所需回用途径的水质要求则回用，浓水送至二氧化碳软化装置中的澄清池再进行沉降，上清液再进入特种防堵超滤装置；如出水有机杂质或矿化度仍然高于回用途径水质要求，则进入特种防堵纳滤装置进一步处理。
5.本发明方法采用特种防堵纳滤装置，抗污染能力强，占地面积小，产水直接作为更高回用途径水质要求的回收利用，浓水再进入二氧化碳软化装置处理。
（发明人：马云;李锐轩;艾龙;白海涛;蒲科;谢娟;崔星;崔家豪;牛瑞泽）